CN102841038B - 沥青自愈性的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青自愈性的检测装置及检测方法，其通过等剪变率的降阶试验对沥青施加固定的剪变率，待沥青达到稳定状态后，突然降低剪变率，通过检测之后一段时间内沥青扭矩逐渐恢复的变化过程，直至达到平衡所对应的恢复速率，从而计算得到沥青的自愈系数，其可以直接反映出沥青的自愈能力，相应的检测步骤简便，易于操作，弥补了沥青及其混合材料自愈性研究的不足，而且本发明提供的检测方法还可以用于改性沥青的自愈性评价，同时根据具体需要可以进行多次降阶试验，研究沥青材料的连续愈合效果。本发明的检测装置结构简单，便于操作，能够真实地模拟沥青自愈的过程，准确检测出沥青的自愈性。

Description

沥青自愈性的检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于沥青粘弹特性的研究领域，具体涉及一种沥青自愈性的检测装置及检测方法。

背景技术

自愈材料是一种能自己修复服役期间产生的部分损伤的一种材料。研究人员很早就发现沥青材料具有自愈能力。很多研究表明，在间歇期以及环境温度很高时，沥青材料能实现自我修复，模量随着间歇时间的增加不断恢复，自动延长路面的使用寿命。自愈性可以反映沥青性能的恢复能力。因此对于沥青道路而言，确保路面材料与结构具有良好的自愈能力，能主动、自动地对沥青路面出现的裂纹和损伤部位进行修复，对降低道路管理运营成本、延长道路使用寿命都具有重要的意义。

目前，对于沥青自愈性能的评价，一些研究者们主要通过动态剪切流变仪(DSR)试验比较间歇前后沥青性能的变化（模量、相位角等）来进行分析，并以间歇前后模量或相位角的变化作为自愈性评价指标。尽管该方法能在一定程度上评价沥青的自愈性能，但评价过程繁琐，对操作的要求较高，很难普及推广。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术中的自愈性检测所存在的不足，提供了一种结构简单，能够通过检测扭剪力来评价不同类型的沥青或改性沥青的自愈性的检测装置。

本发明的另一个目的在于提供了一种新的检测沥青自愈性的方法。

解决上述技术问题的技术方案是：在底座上设置有恒温水浴箱和支架，动力装置通过联接件固定在支架上，在恒温水浴箱内设置有加热器、温度传感器、支撑座以及通过支撑座支撑的试样容器，加热器通过导线与温控单元相连，在试样容器内腔设置有扭剪机构，扭剪机构通过转杆与动力装置的输出轴联接，在转杆上设置有扭矩传感器和转速传感器，扭矩传感器、转速传感器和温度传感器分别通过导线与A/D转换器的输入口相连，A/D转换器通过导线接入计算机的输入端口，计算机的输出端口通过导线与温控单元和动力装置上的速控单元相连；

上述扭剪机构包括中心扭剪杆与设置在中心扭剪杆外沿的至少两个辅助扭剪杆，中心扭剪杆的顶端与转杆底端联接，辅助扭剪杆的顶端通过联接臂与转杆联接。

上述中心扭剪杆的杆体呈圆柱状，杆体底端呈圆锥形状，辅助扭剪杆的形状与中心扭剪杆相同。

上述辅助扭剪杆的外壁与试样容器内壁之间的距离是2～4cm，辅助扭剪杆与中心扭剪杆的侧壁间距是1.5～2.5cm。

上述辅助扭剪杆均匀分布在同一圆周上，圆周的中心点在中心扭剪杆的中心轴上。

上述辅助扭剪杆的直径小于中心扭剪杆的直径。

上述辅助扭剪杆的直径小于中心扭剪杆的直径。

一种利用上述装置的沥青自愈性的检测方法，包括以下步骤：

（1）将盛放沥青试样的试样容器在50～70℃的恒温水浴箱中预热30～60分钟；

（2）在50～70℃的恒温下通过扭剪机构对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，初始搅拌速率为30～50转/分钟，用扭矩传感器实时检测扭剪机构在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1～2分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为10～30转/分钟，扭矩传感器实时检测扭剪机构在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1～2分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌；

（3）根据步骤（2）采集的扭矩计算出沥青试样降阶前的稳定速率v₀与降阶后的稳定速率v₁，得沥青试样的自愈系数μ，计算公式为：

$v_0=\frac{M_0-M_t}{t}$

$v_1=\frac{M_t^{\′}-M_0^{\′}}{t^{\′}}$

$\mathrm{\μ}=\frac{v_1}{v_0}\×100\%$

式中：v₀为沥青试样降阶前的扭矩稳定速率；

v₁为沥青试样降阶后的扭矩稳定速率；

M₀为沥青试样降阶前初始扭矩，单位为N·m；

M_t为沥青试样降阶前恒定扭矩，单位为N·m；

t为沥青试样降阶前扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒；

M'₀为沥青试样降阶后初始扭矩，单位为N·m；

M'_t为沥青试样降阶后恒定扭矩，单位为N·m；

t'为沥青试样降阶后扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒。

上述步骤（2）是在60℃的恒温下通过扭剪机构对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，初始搅拌速率为40转/分钟，用扭矩传感器实时检测扭剪机构在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为20转/分钟，扭矩传感器实时检测扭剪机构在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌。

本发明的沥青自愈性检测方法通过等剪变率的降阶试验首先对沥青施加固定的剪变率，待沥青达到稳定状态后，突然降低剪变率，通过检测之后一段时间内沥青扭矩逐渐恢复的变化过程，直至达到平衡所对应的恢复速率，从而计算得到沥青的自愈系数，其可以直接反映出沥青的自愈能力，相应的检测步骤简便，易于操作，弥补了沥青及其混合材料自愈性研究的不足，而且本发明提供的检测方法还可以用于改性沥青的自愈性评价，同时根据具体需要可以进行多次降阶试验，研究沥青材料的连续愈合效果。本发明的检测装置结构简单，便于操作，能够真实地模拟沥青自愈的过程，准确检测出沥青的自愈性。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为图1中的扭剪机构结构示意图。

具体实施方式

现结合具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于此种实施方式。

实施例1

参见图1，本实施例的沥青自愈性检测装置由底座1、支架2、恒温水浴箱3、扭剪机构4、试样容器5、转杆6、转速传感器7、动力装置8、扭矩传感器9、温度传感器10、速控单元11、A/D转换器12、计算机13、温控单元14、加热器15以及支撑座16联接构成。

在底座1上放置有一个恒温水浴箱3且通过螺纹紧固件还固定有一个矩形支架2，矩形支架2支撑在恒温水浴箱3的上方，在恒温水浴箱3内安装有加热器15和温度传感器10，在恒温水浴箱3的底部还安装有一个支撑座16，在支撑座16上放置有一个盛有普通沥青试样的试样容器5，试样容器5的半径为10cm，在试样容器5内腔放置一个外围直径为17cm的扭剪机构4。

参见图2，本实施例的扭剪机构4是由中心扭剪杆4-3与2个通过联接臂4-2联接的辅助扭剪杆4-1组成，中心扭剪杆4-3与辅助扭剪杆4-1的杆体均呈圆柱状，杆体末端呈圆锥状，中心扭剪杆4-3的杆体半径是4cm，辅助扭剪杆4-1的杆体半径小于中心扭剪杆4-3的半径，辅助扭剪杆4-1的半径为1.25cm，2个辅助扭剪杆4-1均匀分布在与中心扭剪杆4-3同轴的同一圆周上，辅助扭剪杆4-1侧壁距离中心扭剪杆4-3侧壁2cm，辅助扭剪杆4-1侧壁距离试样容器5内壁3cm。联接臂4-2水平设置，联接臂4-2的中心设置在中心扭剪杆4-3的中心轴上，中心扭剪杆4-3的顶端穿过联接臂4-2的中心通过螺纹紧固件联接在转杆6的底端，且与转杆6同轴设置，在转杆6上安装有转速传感器7和扭矩传感器9，转速传感器7和扭矩传感器9、温度传感器10分别通过导线与A/D转换器12相连，A/D转换器12将接收到的温度、扭矩以及转速的电信号转换为数字信号，再通过导线输出给计算机13，计算机13接收到温度、扭矩以及转速信号按照事先设定的程序进行数据处理，显示出计算结果，计算机13的一个输出端口与温控单元14相连，通过温控单元14控制加热器15升温或降温，计算机13另一个输出端口与速控单元11相连，速控单元11通过导线与安装在矩形支架2上的动力装置8相连，执行计算机13发出的转速调整命令，调整动力装置8的动力输出，动力装置8是一个普通的微型电动机，用联接件固定在矩形支架2上，电动机的动力输出轴与转杆6通过联接件联接。

使用时，将普通的沥青试样倒入试样容器5中，通过计算机13输出升温命令，传送给温控单元14，由温控单元14控制加热器15进行加热，当传感器检测到恒温水浴箱3中的温度达到检测温度时传送温度信号给A/D转换器12由A/D转换器12将温度信号转化为数字信号传输至计算机13，计算机13将检测的温度与设定温度比较，当温度达到设定温度后停止加热，计算机13按照设定的初始转速向速控单元11发出速度控制命令，控制电动机开始运转，带动扭剪机构4进行转动搅拌，在扭剪机构4转动的过程中，由转速传感器7实时检测转杆6的转速，扭矩传感器9实时检测扭剪机构4在搅拌过程中产生的扭矩，并各自将采集的转速、扭矩信号传送给A/D转换器12，由A/D转换器12将转速、扭矩的电信号转换为数字信号，传输给计算机13，由计算机13进行进一步的处理与计算，检测出在试验温度下，沥青试样的自愈系数。

利用上述自愈性检测装置的检测方法包括以下步骤：

（1）将盛放沥青试样的试样容器5在60℃的恒温水浴箱3中预热40分钟；

（2）将扭剪机构伸入试样容器5中，在60℃的恒温下对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，由转速传感器实时检测，保持初始搅拌速率为40转/分钟，由扭矩传感器9实时检测扭剪在扭剪搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1.5分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为20转/分钟，实时检测扭剪机构在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1.5分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌；

（3）根据步骤（2）采集的降阶前初始扭矩M₀、降阶前恒定扭矩M_t、降阶后初始扭矩M'₀、降阶后恒定扭矩M_t'，计算出沥青试样降阶前的稳定速率v₀与降阶后的稳定速率v₁，进而得出在60℃的温度条件下沥青试样的自愈系数μ，计算公式为：

$v_0=\frac{M_0-M_t}{t}$

$v_1=\frac{M_t^{\′}-M_0^{\′}}{t^{\′}}$

$\mathrm{\μ}=\frac{v_1}{v_0}\×100\%$

式中：v₀为沥青试样降阶前的扭矩稳定速率；

v₁为沥青试样降阶后的扭矩稳定速率；

M₀为沥青试样降阶前初始扭矩，单位为N·m；

M_t为沥青试样降阶前恒定扭矩，单位为N·m；

t为沥青试样降阶前扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒；

M'₀为沥青试样降阶后初始扭矩，单位为N·m；

M'_t为沥青试样降阶后恒定扭矩，单位为N·m；

t'为沥青试样降阶后扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒。

实施例2

在本实施例中，扭剪机构4包括中心扭剪杆4-3与设置在中心扭剪杆4-3外沿的2个辅助扭剪杆4-1，2个辅助扭剪杆4-1均匀分布在同一圆周上，圆周的中心在中心扭剪杆4-3的中心轴线上，中心扭剪杆4-3与辅助扭剪杆4-1的杆体均呈圆柱状，杆体末端呈圆锥状，中心扭剪杆4-3的杆体半径是2.5cm，辅助扭剪杆4-1的杆体半径为1cm，两个辅助扭剪杆4-1均匀分布在与中心扭剪杆4-3同轴的同一圆周上，辅助扭剪杆4-1壁距离中心扭剪杆4-3壁为1.5cm，辅助扭剪杆4-1侧壁距离试样容器5内壁4cm。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。

利用上述自愈性检测装置的检测方法与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，扭剪机构4包括中心扭剪杆4-3与设置在中心扭剪杆4-3外沿的2个辅助扭剪杆4-1，2个辅助扭剪杆4-1均匀分布在同一圆周上，圆周的中心在中心扭剪杆4-3的中心轴线上，中心扭剪杆4-3与辅助扭剪杆4-1的杆体均呈圆柱状，杆体末端呈圆锥状，中心扭剪杆4-3的杆体半径是2.5cm，辅助扭剪杆4-1的杆体半径为1.5cm，两个辅助扭剪杆4-1均匀分布在与中心扭剪杆4-3同轴的同一圆周上，辅助扭剪杆4-1壁距离中心扭剪杆4-3壁为2.5cm，辅助扭剪杆4-1侧壁距离试样容器5内壁2cm。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。

利用上述自愈性检测装置的检测方法与实施例1相同。

实施例4

在本实施例中，扭剪机构4包括中心扭剪杆4-3与设置在中心扭剪杆4-3外沿的6个辅助扭剪杆4-1，6个辅助扭剪杆4-1均匀分布在同一圆周上，圆周的中心在中心扭剪杆4-3的中心轴线上，其它的部件及其联接关系与实施例1相同。

利用上述自愈性检测装置的检测方法与实施例1相同。

实施例5

在上述实施例1～4中，沥青自愈性检测装置与相应的实施例相同。

利用上述自愈性检测装置的检测方法包括以下步骤：

（1）将盛放沥青试样的试样容器5在50℃的恒温水浴箱3中预热60分钟；

（2）将扭剪机构4伸入试样容器5中，在50℃的恒温下对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，由转速传感器7实时检测，保持初始搅拌速率为30转/分钟，由扭矩传感器9实时检测扭剪机构4在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1.5分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为10转/分钟，实时检测扭剪机构4在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1.5分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌；

（3）根据步骤（2）采集的降阶前初始扭矩M₀、降阶前恒定扭矩M_t、降阶后初始扭矩M'₀、降阶后恒定扭矩M_t'，计算出沥青试样降阶前的稳定速率v₀与降阶后的稳定速率v₁，进而得出在50℃的温度条件下沥青试样的自愈系数μ，计算公式为：

$v_0=\frac{M_0-M_t}{t}$

$v_1=\frac{M_t^{\′}-M_0^{\′}}{t^{\′}}$

$\mathrm{\μ}=\frac{v_1}{v_0}\×100\%$

式中：v₀为沥青试样降阶前的扭矩稳定速率；

v₁为沥青试样降阶后的扭矩稳定速率；

M₀为沥青试样降阶前初始扭矩，单位为N·m；

M_t为沥青试样降阶前恒定扭矩，单位为N·m；

t为沥青试样降阶前扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒；

M'₀为沥青试样降阶后初始扭矩，单位为N·m；

M'_t为沥青试样降阶后恒定扭矩，单位为N·m；

t'为沥青试样降阶后扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒。

实施例6

在上述实施例1～4中，沥青自愈性检测装置与相应的实施例相同。

以普通沥青试样为例，其自愈性检测方法包括以下步骤：

（1）将盛放沥青试样的试样容器5在70℃的恒温水浴箱3中预热30分钟；

（2）将扭剪机构4伸入试样容器5中，在70℃的恒温下对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，转速传感器7实时检测初始搅拌速率保持在50转/分钟，由扭矩传感器9实时检测扭剪机构4在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1.5分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为30转/分钟，实时检测扭剪机构4在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1.5分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌；

（3）根据步骤（2）采集的降阶前初始扭矩M₀、降阶前恒定扭矩M_t、降阶后初始扭矩M'₀、降阶后恒定扭矩M_t'，计算出沥青试样降阶前的稳定速率v₀与降阶后的稳定速率v₁，进而得出在70℃的温度条件下沥青试样的自愈系数μ，计算公式为：

$v_0=\frac{M_0-M_t}{t}$

$v_1=\frac{M_t^{\′}-M_0^{\′}}{t^{\′}}$

$\mathrm{\μ}=\frac{v_1}{v_0}\×100\%$

式中：v₀为沥青试样降阶前的扭矩稳定速率；

v₁为沥青试样降阶后的扭矩稳定速率；

M₀为沥青试样降阶前初始扭矩，单位为N·m；

M_t为沥青试样降阶前恒定扭矩，单位为N·m；

t为沥青试样降阶前扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒；

M'₀为沥青试样降阶后初始扭矩，单位为N·m；

M'_t为沥青试样降阶后恒定扭矩，单位为N·m；

t'为沥青试样降阶后扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒。

实施例7

在上述实施例1～6的沥青试样自愈性检测方法，在步骤2中，将扭剪机构4伸入试样容器5中，在恒温下对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，由扭矩传感器9实时检测扭剪机构在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率，实时检测扭剪机构4在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌，其它的步骤与相应的实施例相同，得出沥青试样的自愈系数μ。

实施例8

在上述实施例1～6的沥青试样自愈性检测方法，在步骤2中，将扭剪机构4伸入试样容器5中，在恒温下对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，由扭矩传感器9实时检测扭剪机构4在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持2分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率，实时检测扭剪机构4在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持2分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌，其它的步骤与相应的实施例相同，得出沥青试样的自愈系数μ。

本发明提供的自愈性检测装置及检测方法可以用于不同配比的沥青或改性沥青的自愈性的检测，同时根据具体需要可以进行多次降阶试验，研究沥青材料的连续愈合效果。

Claims (2)

1.一种利用沥青自愈性检测装置的沥青自愈性的检测方法，所述沥青自愈性的检测装置是在底座(1)上设置有恒温水浴箱(3)和支架(2)，动力装置(8)通过联接件固定在支架(2)上，在恒温水浴箱(3)内设置有加热器(15)、温度传感器(10)、支撑座(16)以及通过支撑座(16)支撑的试样容器(5)，加热器(15)通过导线与温控单元(14)相连，在试样容器(5)内腔设置有扭剪机构(4)，扭剪机构(4)通过转杆(6)与动力装置(8)的输出轴联接，在转杆(6)上设置有扭矩传感器(9)和转速传感器(7)，扭矩传感器(9)、转速传感器(7)和温度传感器(10)分别通过导线与A/D转换器(12)的输入口相连，A/D转换器(12)通过导线接入计算机(13)的输入端口，计算机(13)的输出端口通过导线与温控单元(14)和动力装置(8)上的速控单元(11)相连；

所述扭剪机构(4)包括中心扭剪杆(4-3)与设置在中心扭剪杆(4-3)外沿的至少两个辅助扭剪杆(4-1)，中心扭剪杆(4-3)的顶端与转杆(6)底端联接，辅助扭剪杆(4-1)的顶端通过联接臂(4-2)与转杆(6)联接；

其特征在于由以下步骤组成：

(1)将盛放沥青试样的试样容器(5)在50～70℃的恒温水浴箱(3)中预热30～60分钟；

(2)在50～70℃的恒温下通过扭剪机构(4)对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，初始搅拌速率为30～50转/分钟，用扭矩传感器(9)实时检测扭剪机构(4)在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1～2分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为10～30转/分钟，扭矩传感器(9)实时检测扭剪机构(4)在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1～2分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌；

(3)根据步骤(2)采集的扭矩计算出沥青试样降阶前的稳定速率v₀与降阶后的稳定速率v₁，得沥青试样的自愈系数μ，计算公式为：

$v_0=\frac{M_0-M_t}{t}$

$v_1=\frac{M_t^{\′}-M_0^{\′}}{t^{\′}}$

$\mathrm{\μ}=\frac{v_1}{v_0}\×100\%$

式中：v₀为沥青试样降阶前的扭矩稳定速率；

v₁为沥青试样降阶后的扭矩稳定速率；

M₀为沥青试样降阶前初始扭矩，单位为N·m；

M_t为沥青试样降阶前恒定扭矩，单位为N·m；

t为沥青试样降阶前扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒；

M'₀为沥青试样降阶后初始扭矩，单位为N·m；

M'_t为沥青试样降阶后恒定扭矩，单位为N·m；

t'为沥青试样降阶后扭矩达到恒定所需用的时间，单位为秒。

2.根据权利要求1所述的沥青自愈性的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)是在60℃的恒温下通过扭剪机构(4)对沥青试样进行等剪变率降阶搅拌，初始搅拌速率为40转/分钟，用扭矩传感器(9)实时检测扭剪机构(4)在搅拌过程中所产生的扭矩，至扭矩达到恒定，保持1分钟，采集降阶前初始扭矩M₀与降阶前恒定扭矩M_t，调整降阶搅拌速率为20转/分钟，扭矩传感器(9)实时检测扭剪机构(4)在降阶搅拌过程中所产生的扭矩至扭矩再次达到恒定，保持1分钟，采集降阶后初始扭矩M'₀与降阶后恒定扭矩M_t'，停止搅拌。